Impakt

Wahrscheinlichkeit und Auswirkungen eines Einschlags eines Asteroiden

Eines ist gewiss: Irgendwo in den Weiten des Sonnensystem ziehen grosse Fels- und Eisenbrocken eine Bahn, auf der sie eines Tages mit der Erde zusammenstossen werden. Die folgenden Szenarien basieren auf Erfahrungen mit tatsächlich geschehenen Einschlägen. Es wird nicht nur ein die Menschheit in arge Schwierigkeiten bringendes Grossereignis beschrieben, sondern auch überlegt, was passieren könnte, wenn ein kleinerer Steinasteroid über der Schweiz explodieren würde, wie es 1908 in Sibirien tatsächlich geschah. Die beschriebenen Szenarien sind besonders heimtückisch, da der Asteroid von der Sonne her kommt und deshalb sehr wahrscheinlich bis vor dem Aufschlag unentdeckt bleibt, wenn seine Bahn nicht schon seit Jahren bekannt ist.

Ein Endzeit-Szenario

Für ein realistisches Szenario brauchen wir einen Asteroiden. Wir denken uns einen die Erdbahn kreuzenden Asteroiden, der vorwigend aus Eisen bestehen soll. Dieser Eisenasteroid war selbst aus einer kataklysmischen Kollision zwischen Asteroiden im Planetoidengürtel hervorgegangen. Seit auf dem blauen Planeten die Dinosaurier lebten, zog das 4 x 4 x 6 Kilometer grosse Stück Eisen durch den Planetoidengürtel. Weitere relativ nahe Begegnungen mit den Planeten und langfristig wirkende Störungen änderten seinen Lauf durch das Planetensystem. Sie brachten ihn auf eine Bahn, die ihn in heute alle 4.4 Jahren einmal von knapp innerhalb der Jupiterbahn bis zur Venusbahn und wieder zurück führt. Unser Eisenasteroid gehört nun in die Klasse der Apollo-Asteroiden. Diese Asteroiden werden nach Apollo, dem grössten den Menschen bekannten Vertreter von Asteroiden auf einer die Erdbahn kreuzenden Bahn benannt. In den letzten 1000 Jahren kam unser hypothetischer Eisenasteroid der Erde nie näher als 9.6 Millionen Kilometer. Für ein Erdbahnkreuzer ist das kein besonders spektakulärer Wert. Auch seine letzte nahe Begegnung mit der Erde war mit 13.5 Millionen Kilometer Abstand nahe aber nicht ungewöhnlich nahe. Seine scheinbare Helligkeit am Sternenhimmel hätte damals für ein paar Tage gereicht, um von Amateurastronomen entdeckt zu werden. Doch niemand schaute in seine Richtung.

Mittlerweile haben Bahnstörungen seinen absteigenden Knoten (einer der beiden Durchstosspunkte der Asteroidenbahn durch die Erdbahnebene) fast punktgenau auf die Erdbahn geschoben. Somit ist eine Kollision mit der Erde prinzipiell möglich. Das im Weltraum treibende Riff ist zur gigantischen Zeitbombe geworden. Eine Kollision ist nun himmelsmechanisch möglich. Immer noch ohne Eintrag im Verzeichnis der Asteroiden, rast der Brocken aus Eisen zum letzten Mal nach 150 Millionen Jahren Odyssee durch das Perihel seiner Bahn. In den noch verbleibenden paar Wochen der Annäherung an die Erde steht er für die Beobachtung sehr ungünstig in der Abenddämmerung. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass ihn ein Kometen- oder Asteroidenjäger ausgerechnet jetzt entdeckt. 5 Stunden 30 Minuten vor dem Einschlag ist der Eisenasteroid etwa in Mondentfernung und kommt mit 19.6 Kilometer pro Sekunde näher. 30 Minuten vor der Apokalypse ist er bis auf die Distanz der geostationären Satelliten an die Erde herangerückt. Von blossem Auge wäre er jetzt am Nachthimmel als heller Stern zu sehen. Doch da er von der Tagseite und die Erde von hinten auf Ihrer Bahn einholend näher kommt, ist er nur dort, wo gerade Abenddämmerung ist zu sehen. Doch werden die meisten Menschen die Sichtung des Asteroiden als horizontnahes Flugzeug deuten. Diese Fehldeutung spielt zum jetzigen Zeitpunkt keine Rolle mehr, denn es würde bestimmt länger als die verbleibenden 30 Minuten dauern, bis der Asteroid als solcher offiziell bestätigt würde. Aus einer Entfernung von 3000 Kilometer oder 3 Minuten vor dem Einschlag erreicht der scheinbare Durchmesser 10 Bogenminuten (1/3 Vollmond). Der Asteroid würde somit auch am Taghimmel bei klarem Wetter gut sichtbar. Seine rasche Bewegung würde ihn auffallen lassen. Vielleicht ist das auch der Zeitpunkt, zu dem er für einige Radarstationen als UFO auf dem Schirm erscheint. Mittlerweile ist seine Geschwindigkeit auf 21,5 Kilometer pro Sekunde angewachsen, denn die Erdanziehung hat ihn ein bisschen schneller werden lassen. Erst in der Höhe, in der das Space Shuttle üblicherweise um die Erde kreist, erscheint der Asteroid so gross wie der Mond. Dann verbleiben noch zwanzig Sekunden bis zum Einschlag. Während der letzten 5-10 Sekunden durchstösst der Eisenasteroid mit 22.5 Kilometer pro Sekunde (81’000 Kilometer pro Stunde) die Atmosphäre. Der heller als die Sonne leuchtende Kanal, den der Asteroid durch die Atmosphäre pflügt, lässt kein Zweifel mehr an dem, was gerade geschieht. Durch seine Grösse wird der Asteroid weder von der Luft noch vom Wasser wesentlich gebremst. Erst massiver Fels setzt seiner Bahn ein jähes Ende.

Unser Asteroid hat 400 Milliarden Tonnen Gewicht. Seine kinetische Energie berechnet sich nach 0.5 x Masse x Geschwindigkeit x Geschwindigkeit und beträgt 100 Trilliarden Joule. Diese entspricht der Energie, die bei der Explosion von etwa 25 Teratonnen TNT frei werden. 25 Teratonnen TNT kann man sich als eine Kugel von 30 Kilometer Durchmesser aus purem Sprengstoff vorstellen. Natürlich darf auch die Umrechnung in Anzahl zu zündender Atombomben nicht fehlen. Die beim Einschlag frei werdende Energie entspricht der gleichzeitigen Zündung von mehr als eine Milliarde Bomben vom Hiroshima-Typ oder 1-2 Million Wasserstoffbomben.

Die NASA (genauer: der NASA International Near-Earth-Object Detection Workshop, 1992) gibt als zu erwartende Todesfälle für solche Ereignisse oberhalb 10 Teratonnen TNT Sprengkraft auf jeden Fall über eine Milliarde bei besonders ungünstigen Verhältnissen möglicherweise nahezu die gesamte Menschheit an.

Nachdem die Erdbeben abgeklungen sind und die Hitze und Druckwellen sich verlaufen haben, werden für viele Monate, vielleicht sogar für Jahre Staubwolken und Aerosolwolken die Stratosphäre verhüllen. Dadurch tritt das Phänomen des nuklearen Winters auf. Dies führt zu tiefgreifenden Schäden an der Vegetation. Davon sind auch von der direkten Wirkung des Impakt mehr oder weniger verschonte Gebiete betroffen. Je nach Ort des Einschlags muss auch mit einer radioaktiven Verstrahlung gerechnet werden, die von zerstörten Kernkraftwerken, Endlagern und Nuklearwaffen herrührt. Insgesamt kann man zum Schluss kommen, dass der Kinofilm „Der Tag danach“ durchaus auch als Beschreibung des Tages nach dem Einschlag dienen kann.

 

Ein Ereignis dieser Grössenordnung wurde tatsächlich beobachtet. Im Juli 1995 kollidierten Trümmer des Kometen Shoemaker-Lewy 9 mit dem Planeten Jupiter. Sie erreichten die Wolkenobergrenze des Planeten mit einer Geschwindigkeit von etwas mehr als 60 Kilometer pro Sekunde. Kometenmaterial hat etwa die Dichte von Wasser. Die Fragmente des Kometen mögen einen Durchmesser von ein paar 100 Meter bis maximal einen knappen Kilometer gehabt haben. Somit musste man beim Einschlag eines solchen Fragments von einer frei werdenden Explosionsenergie zwischen 10 Teratonnen TNT und 100 Teratonnen TNT ausgehen. Die Einschlagstellen lagen von der Erde aus gesehen knapp auf der abgewandten Seite von Jupiter. Die Sequenz von Bildern des Weltraumteleskops in Figur 3 beginnt oben links mit der Tausende Kilometer über den Horizont des Jupiters aufsteigenden Explosionswolke. Wenn die Einschlagsstelle in Sicht kommt (in der Mitte von Figur 3), sieht man braune Wolken in der Form konzentrischer Ringe. Der Durchmesser der inneren schmalen Rings übersteigt die Grösse der Erde. Hätte nur einer dieser Einschläge auf der Erde stattgefunden, so wäre dies ein sehr harter Einschnitt in die Entwicklung unserer Zivilisation gewesen. Auch wenn es nicht das entgültige Ende der Menschheit bedeutet hätte, hätten wir unsere Welt am Tag danach kaum wiedererkannt.

Der Einschlag des Kometen P/Shoemaker-Lewy 9 auf Jupiter hat gezeigt, dass solche Ereignisse auch in der Gegenwart in unserem Sonnensystem immer noch vorkommen. Wir wissen deshalb, dass ein oben beschriebenes Endzeitszenario mehr ist als nur Grusel-science-fiction.

Ein Tunguska-Ereignis

Modifizieren wir unser Ereignis! Der Asteroid soll nun eine Kartoffel aus Stein von 50 x 100 Meter Grösse sein. Wir setzen ihn auf die Umlaufbahn des oben beschriebenen Eisenasteroiden. Ohne Vorwarnung dringt unsere Steinkartoffel mit über 81’000 Kilometer pro Stunde oder siebzigfacher Schallgeschwindigkeit in den Luftraum über der Schweiz ein. Etwa in der Höhe der Düsenflugzeuge (8 bis 10 Kilometer) über dem Autobahnkreuz A1, A3 bei Baden explodiert unsere Felsen wie eine Wasserstoffbombe von 50 Millionen Tonnen TNT Sprengkraft. 50 Millionen Tonnen TNT entsprechen einer Kugel von knapp 400 Meter Durchmesser aus purem Sprengstoff. Eine Druckwelle breitet sich aus und walzt im Umkreis von 25 Kilometer alles nieder, was ihr in den Weg kommt.

Von Deutschland und der Westschweiz her einfliegende Rettung erwartet das Grauen eines Atombombenangriffs: In Basel fehlen  bei vielen Gebäuden die Fenster, doch stehen die meisten Gebäude noch. Rhein aufwärts wird es aber rasch schlimmer. Die erste dunkle Rauchsäule steigt von Reinfelden auf. Ein vollgetanktes Verkehrsflugzeug ist offenbar mitten in die Stadt gestürzt. Waldshut steht in Flammen, vom Kernkraftwerk steht nur noch das Reaktorgebäude. Südlich des Rheins sind die Bäume der Wälder ausnahmslos radial vom Zentrum weg nach aussen geknickt, Gegen Zürich fliegend, sieht man, dass um Aare und Limmat so gut wie kein Stein auf dem anderen blieb. Vom internationalen Flughafen Zürich-Kloten steigt die markanteste der vielen Flammensäulen empor. Alle Tanks der Tankanlage bei Rümlang sind geborsten, brennender Treibstoff wurden im weiten Umkreis Richtung Flughafen verschüttet. Die Liste der mit dem Asteroideneinschlag verbundenen Einzelkatastrophen liesse sich noch lange weiterführen.

Der Bereich der Zerstörung hat etwa einen Radius von 25 Kilometer. Das entspricht für eine Explosion über dem Autobahndreieck A1, A3 etwa dem Gebiet zwischen Waldshut, Aarau und inklusive Zürich. Im betroffenen Gebiet leben weit über eine Million Menschen. Es dürfte deshalb klar sein, das ein erheblicher Teil davon die ohne Vorwarnung eingetretene Katastrophe nicht überleben würde. Das brisante an diesem Szenario ist, dass dies nicht alle 10 Millionen Jahre eintritt, sondern 4 mal pro Jahrtausend, das letzte mal 1908 in Sibirien. Mit der wachsenden Bevölkerungsdichte der Erde wird es wahrscheinlicher, dass der nächste Treffer, der schon morgen oder erst im übernächsten Jahrhundert stattfinden könnte, nicht so wie in Sibirien, sondern wie oben beschrieben verläuft! Ist es verantwortbar, kein Frühwarnsystem zu haben und nur zu hoffen, dass der nächste Steinasteroid wieder über dem menschenleeren Sibirien explodiert?

Ein Entdeckungszenario

In den in Hollywood produzierten Filmen über Asteroiden- oder Kometeneinschläge braucht ein Experte nur ein Blick auf ein Foto eines Kometen zu werfen, um zu wissen, dass er einschlagen wird. Natürlich ist der eigentliche Entdecker immer ein begeisterter Jungastronom. Wie würde aber eine Entdeckung durch einen tapferen Jungastronomen nun tatsächlich verlaufen? Zunächst brauchen wir einen einschlagenden Asteroiden, den unser Held entdecken kann. Durch etwas langwieriges Probieren am Computer erhalten wir fiktive Bahnelemente eines Erdbahnkreuzers, die zu einem Einschlag führen. Die Entdeckung soll zwei Jahre vor der unheilvollen Begegnung erfolgen.

Richten wir für unsern Amateur eine Sternwarte ein. Seine Sternwarte bestehe aus einem 40 cm Cassegrain Teleskop und einer modernen CCD-Kamera. In einer klaren Nacht macht der Astronom 3 Sternfeldaufnahmen von der richtigen Himmelsgegend im Abstand von 1.5 Stunden. Der von uns im Computer erzeugte 2 Kilometer grosse Asteroid ist zwei Jahre vor dem Einschlag ein Sternchen 18. Grössenklasse, dass sich durch die Positionsänderung von Aufnahme zu Aufnahme verrät. Auf der Aufnahme kann man die drei Positionen etwa auf eine Bogensekunde genau vermessen. Nach einem mathematischen Verfahren, dass der Mathematiker Gauss zu Beginn des 19. Jahrhunderts erarbeitete, reichen drei Positionsbestimmungen, um die Bahn im Sonnensystem zu bestimmen. Wenn man dieses Verfahren auf die gemachten Aufnahmen anwendet, ist das Resultat enttäuschend. Die berechneten Bahnelemente sind völlig falsch. Sie sind nur zum Auffinden des Asteroiden in der nächsten Nacht geeignet. Ein ernüchterndes Resultat, das eine Einschlagsbestätigung schon in der Entdeckungsnacht in das Reich der Astronomiemärchen verbannt. Nach vier Tagen, wovon drei Nächte klar waren, hat unser Amateurastronom weitere Messungen gemacht. Die mit dem Gaussverfahren daraus berechneten Bahnelemente beginnen nun dem zu gleichen, was wir dem Computer eingegeben haben, doch kommt der Asteroid auf der aus den Beobachtungen berechneten Bahn nicht einmal in die Nähe der Erde.

Bei der IAU, wo unser Beobachter seine Entdeckung nun meldet, reagiert man nur mit gelassener Routine. Er solle in den kommenden Wochen weitere Aufnahmen machen, sagt man dort. Nach einem Monat sind die Daten so gut, dass eine Begegnung der Erde innerhalb 10 Millionen Kilometer vorhergesagt werden kann, die Wahrscheinlichkeit eines Einschlags kann nun mit etwa 1:2 Million angegeben werden. Erst einen weiteren Monat später sind die Bahnelemente von unserem Hobbyastronom so gut, dass ein Vorbeiflug des Asteroiden an der Erde näher als 1 Million Kilometer vorhergesagt werden kann (Einschlagwahrscheinlichkeit weniger als 1:20’000). Dies würde nun die Aufmerksamkeit der Fachwelt auf sich ziehen, weil ein so naher Vorbeiflug eines Asteroiden die Möglichkeit einer Radarabtastung bietet. Doch auch eine einzelne Messung eines grossen Observatoriums auf 0.1 Bogensekunden genau verbessert die Bahnelemente nicht sofort entscheidend, es wird wahrscheinlich ein weiterer Monat vergehen, bis ernsthaft an einen Einschlag gedacht werden kann.

Fazit: Die Erde ist im Vergleich zu der Grösse des Sonnensystems so winzig, dass die Bahn eines Körpers extrem präzise vermessen werden muss, um einen Einschlag Jahre im Voraus prognostizieren zu können. Diese Genauigkeit kann erst nach wochen- bis monatelangem Beobachten erreicht werden.

Wahrscheinlichkeiten

Wenden wir uns zuerst den Asteroiden zu. Die meisten Erdbahnkreuzer, d.h. Asteroiden, die der Sonne so nahe kommen, dass sie überhaupt in die Nähe der Erde gelangen, wurde in jüngerer Zeit abgeschätzt: ein paar hundert sind bekannt, die Anzahl der Körper von vielen hundert Metern bis grösser als 1 Kilometer Durchmesser soll mindestens 2000 betragen. Körper von dieser Grösse können grosse Katastrophen verursachen. Wir wollen nun die Chance eines Treffers abschätzen. Die 2000 Erdbahnkreuzer, die viele 100 Meter bis 1 Kilometer gross sind und z.B. den Einschlag in Nördlingen, Deutschland, vor 15 Milllionen Jahren verursachten, führen in Erdbahnnähe in etwa zu einer Asteroridendichte von etwa 100 Exemplaren pro Kubik-AE (AE heisst astronomische Einheit und entspricht ca. 150 Millionen Kilometer). Die mittlere freie Weglänge der Erde beträgt dann nach den Gesetzen der Physik 600’000 AE. Diese Strecke legt die Erde in 200’000 Jahren zurück, was der NASA-Schätzung (ein Einschlag alle 200’000 Jahre) entspricht. Wie steht es mit den Kometen? Zur Zeit werden jährlich zwei, drei Dutzend entdeckt, die der Sonne näher als 2 AE kommen. Wenn wir annehmen, dass tatsächlich etwa 100 pro Jahr diesen Bereich durchqueren, die grösser als ein Kilometer sind, so ergäbe sich ein Kometentreffer alle 20 Milllionen Jahre. Das ist nur eine Abschätzung der Grössenordnung. Doch kann man doch daraus folgern, dass Asteroidentreffer häufiger sind als Kometentreffer.

 

So vernichtende Ereignisse wie eingangs beschrieben, kommen nur alle 10 Millionen Jahre einmal vor. Es besteht also nur eine geringe Gefahr, dass wir in den nächsten paar Jahrhunderten durch eine so grosse kosmische Bombe vernichtet werden. Durchschnittlich alle 10’000 Jahre ist mit einem Treffer zu rechnen, der einen paar Kilometer grossen Krater schlägt oder wenn er in den Ozean fällt, an dessen Küsten für grosse Verwüstung durch Flutwellen sorgt. Aber auch kleinere, wesentlich häufigere Objekte wie der Asteroid des zweiten Einschlagszenario können lokal grossen Schaden anrichten. Ein Ereignis wie das 1908 an der Tunguska in Sibirien, das 2000 Quadratkilometer Wald umwarf, dürfte etwa 4x pro Jahrtausend eintreten. Jene Explosion eines Steinasteroiden von 60 bis 70 Meter Grösse 8 Kilometer über dem Boden entsprach einer grossen Wasserstoffbombe. Eine Körper mit der kinetischen Energie vom Ausmass einer Hiroshima-Atombombe trifft die Erde 4 mal pro Jahrzehnt.

Von kleineren Ereignissen lesen wir manchmal in den Zeitungen. Besonders spektakulär war der Fall vom 9. Oktober 1992, als ein Feuerball heller als der Vollmond über den Himmel von Westvirginia bis zur Grenze von New-York und Pensylvania raste. Ein 13 Kilogramm schweres Stück des vermutlich um einiges schwereren Brockens wurde danach gefunden. Solche Brocken dürften nach einer Studie des JPL (Jet Propulsion Laboratory, NASA) etwa einmal pro Monat die Erde erreichen. Am unteren Ende der Skala stehen die ein paar mm grossen Sternschnuppen. Im Durchschnitt sehen wir etwa 5 Sternschnuppen pro Stunde. Wir können dabei etwa 5 Promille des Himmels einsehen, d.h. weltweit gibt es also 1000 Ereignisse Pro Stunde. Die Graphik „Figur 5“ soll einen Überblick über die Häufigkeit der mit der Erde kollidierenden Körper als Funktion ihrer Grösse geben. Sie hat jedoch höchstens den Charakter einer Faustregel.

Wenn Sie jetzt das Gefühl haben, die ganze Geschichte sei nur ein theoretisches, etwas makabres Gedankenspiel, so bedenken Sie folgendes: Manche Leute, darunter auch Wissenschaftler, halten es für durchaus plausibel, dass es angesichts der überwältigenden Anzahl von Galaxien mit ihren hunderten von Millionen Sonnen Millionen von Zivilisationen geben könnte. Selbst wenn jede Galaxie mit ihren 100 Milliarden Sonnen zu einem bestimmten Zeitpunkt durchschnittlich nur eine Zivilisation beherbergen sollte, die während etwa 500 Jahren weiss, was ein Asteroid ist, aber nichts gegen den Einschlag unternehmen kann, würde doch irgendwo im Kosmos jeden Tag eine Zivilisation durch einen Asteroidentreffer ausgelöscht (Begründung).

Links:

  • Spaceguard
  • Near-Earth Asteroid Tracking Home Page (NASA)
  • The Impact of an Asteroid off the New York Coast
  • Sandia National Labs‘ 3D comet-impact simulations
  • Solar System Collisions

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